可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄及减振抑颤方法与流程

本发明涉及数控机床在高精度精密加工领域，具体涉及一种在薄壁件高速铣削加工领域以及在数控加工过程中使用的减振抑颤刀柄及方法。

背景技术：
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目前机械加工领域，在薄壁件切削过程中极易出现刀具颤振，产生振纹，严重影响加工表面质量。由于技术飞速发展，加速了航天航空、军工制造、汽车产业等，各个领域对于其关键的、结构复杂的薄壁件的加工质量要求越来越高，而在切削过程中出现刀具颤振，严重影响表面质量，从而影响经济效益，所以在机械加工过程刀柄的减振抑颤问题就十分重要。

切削振动是机械加工过程中刀具、刀柄和机床之间发生的相对振动，具有复杂动态不稳定性质，而薄壁件的切削相对于其它切削加工具有更加复杂系统结构，故薄壁件系统在高速铣削加工过程失稳振动，从而导致铣削力的不稳定变化并直接影响薄壁件加工的稳定性和加工效率，切削颤振会导致刀具刀刃、刀齿在机械加工过程中磨损严重、崩裂，甚至会对加工的薄壁件表面造成损害，所以必须对薄壁件加工系统进行振动和颤振的抑制，故利用电流变液可调阻尼和变刚度的特性，设计一种可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄及减振方法。

电流变技术是当今一项具有广阔前景的高新技术，其理论基础是利用某些特殊液体的“流变性质”，在外加电场的作用下，会发生特殊变化的电流变效应，而电流变液就是电流变效应的物质基础，它的粘度可以敏感的变化和快速地增长，直至在某一电场强度下体质流动达到固化，并且具有固体属性，而本产品就是利用电流变液该项特性，使用简单的电控信号来控制电流变液的机械特性参数（阻尼特性、粘度、剪切储存模量、屈服应力），进而本产品通过对刀柄内部的电流变液施加恰当的电场信号提供连续可控的阻尼力，以达到对刀柄的减振、抑颤的作用。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄及减振抑颤方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄，其组成包括：电流变减振抑颤刀柄，所述的电流变减振抑颤刀柄包括刀柄本体，所述的刀柄本体尾部具有圆形环槽，所述的圆形环槽顶部安装有凹形橡胶环，所述的凹形橡胶环的凹槽内安装有正电极板，所述的正电极板内、外侧面分别装有内电流变液层、外电流变液层，所述的内电流变液层、外电流变液层下方分别安装有O型圈，所述的O型圈下方安装有密封胶垫。

所述的可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄，所述的刀柄本体中间具有通孔并且上方是圆锥形状，，用于连接机床主轴，所述的刀柄本体底部通过紧固螺钉与密封端盖连接，所述的密封端盖上部与所述的密封胶垫贴合，所述的刀柄本体下方通过螺纹与刀柄端盖连接。

所述的可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄，所述的电流变减振抑颤刀柄底部中间位置安装有刀具，所述的刀具下方是待加工工件，所述的待加工工件侧面分别安装有加速度传感器、电荷放大器，所述的加速度传感器与数据采集装置连接，所述的数据采集装置分别与计算机、所述的电荷放大器连接，所述的待加工工件固定在工作台上。

一种可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄的减振抑颤方法。该方法包括如下步骤：首先是电流变减振抑颤刀柄是以电流变阀控制的颤振抑制装置，刀柄内部正电极板与刀柄腔体内壁之间的缝隙大约为2mm，间隙内充满了电流变材料，即内电流变液层、外电流变液层，这时，电流变材料在此结构中的工作方式属于剪切流动一类，当刀柄的振幅不是很大时，电流变材料处于屈服前状态，此时电流变材料可以提供阻尼力和一定的弹性力，而当刀柄的振幅很大时，电流变材料处于后屈服后状态时，其主要提供阻尼力来抑制振动；

在外部通过电流变阀对正电极板的电压进行可调性控制，这时刀柄内部正电极板与其金属外壁之间会产生电场，当正、负极板的电场强度达到一定值后，就会使腔体内部的电流变材料发生固化，这样刀柄腔体内的电流变液的屈服剪应力就会抑制刀柄的振动，需要调整外部电流变阀的电场强度，就可以调整刀柄内部的阻尼参数、刚度参数；

在刀具的加工过程中，如果有颤振发生，刀柄壁将带动正电极板做弯曲运动，这样将会迫使之间的电流变液承受拉压作用，利用调节电极之间的电场强度改变电流变液的阻尼系数，增加刀柄弯曲振动阻力，从而对刀柄动态特性的在线实时调控。

有益效果：

1.本发明是一种可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄的减振抑颤方法，

主要针对刀柄存在的问题，提出一种利用电流变液特性的减振抑颤刀柄及方法，这种减振抑颤刀柄，对于机械加工过程产生的振动具有良好的减振效果。

本发明利用电流变液该项特性，使用简单的电控信号来控制电流变液的机械特性参数（阻尼特性、粘度、剪切储存模量、屈服应力），进而通过对刀柄内部的电流变液施加恰当的电场信号提供连续可控的阻尼力，以达到对刀柄的减振、抑颤的作用。

本发明的刀柄整体结构紧凑、简单、合理，并能满足当前数控加工要求，对刀柄内减振材料（电流变液）密封严密。

本发明内置具有内电流变液层和外电流变液层的刀柄具有良好的减振功能，首先电流变液体在外加电场的响应速度很快，具有很高的灵敏度，而且在不同的外加电场强度下改变其阻尼系数，实现其固液之间的转化，加大减振频带，达到良好的减振效果。

本发明双层电流变液较单层电流变液具有的优势，首先双层电流变液相对于单层的电流变液来说，其整体性能更高，阻尼系数可控范围变化大，内、外层区域的划分，能够使内、外层单独变化，从而进一步改善了刀柄阻尼特性的调节性能，同理，刚度特性变化范围较单层比较也得到增加，并增强其刚度特性的性能，其次，双层电流变液设计在结构上其空间利用率更高，利用同一电极板作为内、外电流变液层的正极，这样不仅节约了结构空间，而且增加减振抑颤刀柄的整体稳定性，这样空间的分隔，使使空间利用更加合理，并结构简单，在增加整体性能的同时也节约了制造成本。

本发明由于电流变液呈环状充满刀柄的内外壁腔体内，当刀柄转速位于3500r/min以下时其呈液体状态，而转速升高时到达3500r/min时，通过调节电场的强度使其由液态向阻尼系数增大的固态转化，能够对刀柄动力参数（阻尼系数、刚度结构）在线连续实时调控。

本发明具有可逆性，当刀柄内部两正、负极板电场强度增大时，电流变液体表面年度会逐步增大，当其电场强度增大某一高度时，电流变液甚至坏出现类似于固体某些属性，但当电场消除后，电流变液又由类似固态转化至液体状态，实现电流变液固液之间的转化，拓宽本产品减振刀柄的减振频带。

本发明具有快速响应的特点，由于在外加电场的作用下，电流变液体响应速度非常迅速灵敏，可以瞬间完成固液之间的转化，时间一般在0.01～0.001s。

本发明的可控性能强，在不同强度的电场强度下，电流变液的流变性能不相同，因此本产品利用外加电场可调性能，实现对减振刀柄内电流变液阻尼特性的线性控制。

本发明的电流变液材料其液体成分为矿物油、硅油或碳氢化合物液体，具有无污染环保的特性，其内部固体添加材料为1—100μm之间的多孔亲水的半导体或聚合物颗粒，所以其固体颗粒在低转（3500r/min）以下时其自身产生离心力可忽略不计，而在转速（3500r/min）以上时，电流变液自身阻尼系数增加，向固体转变，固体颗粒自身离心力远小于电流变液的阻尼力，故其刀柄在高低转速下受离心力的影响均可忽略不计。

本发明的电流变减振抑颤刀柄具有控制方法简单，控制耗能很小等优点。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明的实验测试系统结构示意图。

附图3是本发明的不同转速下刀具振动仿真曲线图。

附图4是本发明刀具转速的分段控制原理图。

附图5是本发明的控制框图。

附图6是附图1的零件分解图。

具体实施方式：

实施例1：

一种可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄，其组成包括：电流变减振抑颤刀柄11，所述的电流变减振抑颤刀柄包括刀柄本体1，所述的刀柄本体尾部具有圆形环槽，所述的圆形环槽顶部安装有凹形橡胶环2，所述的凹形橡胶环的凹槽内安装有正电极板10，所述的正电极板内、外侧面分别装有内电流变液层3、外电流变液层9，所述的内电流变液层、外电流变液层下方分别安装有O型圈4，所述的O型圈下方安装有密封胶垫5。

实施例2：

根据实施例1所述的可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄，所述的刀柄本体中间具有通孔并且上方是圆锥形状，用于连接机床主轴，所述的刀柄本体底部通过紧固螺钉7与密封端盖6连接，所述的密封端盖上部与所述的密封胶垫贴合，所述的刀柄本体下方通过螺纹与刀柄端盖8连接。

实施例3：

根据实施例1或2所述的可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄，所述的电流变减振抑颤刀柄底部中间位置安装有刀具12，所述的刀具下方是待加工工件13，所述的待加工工件侧面分别安装有加速度传感器14、电荷放大器17，所述的加速度传感器与数据采集装置15连接，所述的数据采集装置分别与计算机16、所述的电荷放大器连接，所述的待加工工件固定在工作台18上。

实施例4：

一种利用实施例1-3所述的可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄的减振抑颤方法，本方法是：首先是电流变减振抑颤刀柄是以电流变阀控制的颤振抑制装置，刀柄内部正电极板与刀柄腔体内壁之间的缝隙大约为2mm，间隙内充满了电流变材料，即内电流变液层、外电流变液层，这时，电流变材料在此结构中的工作方式属于剪切流动一类，当刀柄的振幅不是很大时，电流变材料处于屈服前状态，此时电流变材料可以提供阻尼力和一定的弹性力，而当刀柄的振幅很大时，电流变材料处于后屈服后状态时，其主要提供阻尼力来抑制振动；

在外部通过电流变阀对正电极板的电压进行可调性控制，这时刀柄内部正电极板与其金属外壁之间会产生电场，使腔体内部的电流变材料发生固化，这样刀柄腔体内的电流变液的屈服剪应力就会抑制刀柄的振动，需要调整外部电流变阀的电场强度，就可以调整刀柄内部的阻尼参数、刚度参数；

在刀具的加工过程中，如果有颤振发生，刀柄壁将带动正电极板做弯曲运动，这样将会迫使之间的电流变液承受拉压作用，利用调节电极之间的电场强度改变电流变液的拉伸和压缩屈服极限，增加刀柄弯曲振动阻力，从而对刀柄动态特性的在线实时调控；

电流变材料层在系统中相当于具有非线性特性粘性弹簧，在一定程度条件下相当于弹元件与粘性单元的组合连接，能够在屈服前与屈服后两种模式之间转化。当一定电场强度值施加在可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄中电流变材料上时，模式之间的转换会变得相对模糊，电流变材料的刚度性能会处于临界状态，这会使减振抑颤刀柄的整体刚度特性会根据刀柄的细小的振幅变化而发生显著变化；

电流变材料的刚度特性变化其根本原因在于电流变液在外加电场强度值增加时能够快速发生相变，由液态形式逐渐向固态发生转化使减振抑颤刀柄的整体刚度有所增加，同时也具有附加刚度效应，将发生共振的频率点提高。

实施例5：

根据实施例1-4所述的可调阻尼和刚度的电流变减振抑颤刀柄的减振抑颤方法，结构布置及作用:

1.刀柄主体：作为本发明装置的主体，其首先为整体结构的壳体，为其它零部件提供刚度支撑，其次作为电流变液的承载容器，它与机床主轴相互连接，而机床整体接地，这样刀柄腔体内壁可以作为本发明的负极板。

凹形橡胶环：布置于刀柄腔体内壁与正电极板之间，其材料为绝缘橡胶，形状为凹形圆环，主要负责阻隔刀柄与正电极板之间的电流传导，起绝缘的作用，并为正电极板提供辅助支撑及定位的作用。

正电极板：为薄壁钢圈，位于外电流变液层与内电流变层之间，作为正电极提供装置，与负极板（刀柄腔体内壁）形成外加可控电场，作用于其间隙之间的电流变液。

内电流变液层、外电流变液层：主要为高介电常数的固体颗粒分布于低介电常数绝缘液体内悬浮液，作为变阻尼系数、刚度性能的主体材料，其具有根据外加电场强度改变自身阻尼系数的特性。

密封胶垫：首先为正电极板与O型圈起定位作用，使其相互之间相互紧密贴合，并防止其相互之间的滑动，而且阻止电流变液泄露与此同时也防止外部灰尘与液体进入。

型圈：主要给正电极板起支撑定位作用，其次隔断刀柄本体与正电极板，防止其电荷直接传递，例外 O型密封圈在耐油、酸碱、磨、化学侵蚀等环境依然起到良好密封、减振作用，同时能够为电流变液的密封提供良好的保障。

密封端盖：位于刀柄主体的尾端，固定刀柄腔体内部零件。主要起密封作用，防止其相对滑动，防止灰尘、液体进入。

紧固螺钉：连接固定刀柄主体与密封端盖。

刀柄端盖：主要负责夹紧刀具与刀柄之间的连接。

基于电流变液的减振刀柄，使用时与一般传统数控刀柄与机床连接方式基本相同，所述刀柄端设有圆柱内孔，通过刀柄夹头将刀柄与道具相互刚性连接，并将加工过中冲击载荷对刀具产生的振动传递给刀柄内壁；

本产品的核心材料电流变液体是一种只能混合液体，它是在绝缘性良好的基础液中靠可极化的介电微粒悬浮形成的，电流变液的屈服应力、剪切模量等在电场中能发生连续、可逆、可控的变化.并且能在外加电场的作用下在毫秒级别内完成响应，由液态变成固态，并且其黏度可以快速增加几个数量级从而使电流变液失去流动性，当撤除电场后，它又能极快地恢复成原来的状态，只要应用计算机技术对通过电流变液的电场强度进行调节，就能够对其黏度和屈服应力实时主动调控；

其原理为电场中分散的粒子极化现象并其之间具有一定的相互作用，当刀柄腔体内壁（视为负极板）与正极板不通电的情况下，其不存在外加电场，这是分散相粒子在分散相介质中做无规则的布朗运动，并且电流变液内的正负电荷也是随机分布的，当施加外部电场后，分散相粒子发生极化现象，在电场方向上进行集结，这时电流变液内正电荷向负极板移动，而负电荷集结在正电极板的一端，从而成链、成柱排列，达到变阻尼、刚度的效果；

由于振动的作用，正、负极板沿着电场的方向做振荡运动，此时两极板间距的变化会导致电流变液挤出又流入，因此电流变液在受到拉力和压力的同时，也受到剪切力的作用；

本产品主要采用的是挤压模式工作原理，刀柄内的正电极与绝缘套相连，绝缘套布置于刀柄壁上，刀具与刀柄内壁相互连接，刀柄的一端与真个机床本体相互连接，刀柄内的电流变液起到的作用相当于在刀柄的支撑部分增加了一个弹性系数和阻尼系数连续可调的粘性弹簧结构，在刀具的加工过程中，如果有颤振发生，刀柄壁将带动正电极板做弯曲运动，这样将会迫使之间的电流变液承受拉压作用，本产品再利用调节电极之间的电场强度改变电流变液的拉伸和压缩屈服极限，增加刀柄弯曲振动阻力，从而对刀柄动态特性进行在线实时调控。

本产品使用的电流变材料的动态特性相对比较复杂，电流变层动态特性区的划分：

牛顿粘性体：当外部不存在或存在极小的电场时，电流变材料的悬浮微粒此时没有形成链状结构，电流变材料仍为液态，动力特性仍然表现为粘性；

弹性体：当外加电场强度逐渐提高时，电流变材料的悬浮颗粒排列为成链状结构使电流变材料处于屈服前状态，这时如果电流变材料的应变幅度较小的话，电流变材料的表现可以近似的视为弹性体；

屈服前粘弹体：当电流变材料处于弹性体状态后，保持电场强度不变，随着应变幅度的提高，电流变材料会展现出相当的粘性，这时将其视作为粘弹性体材料；

非线性：当电流变材料的应变幅度较大时，这样使电流变材料出现屈服，此时电流变材料在整个振动周期内交替地处于屈服后状态和屈服前状态，这样在整个振动周期内，当其处于屈服前状态时，电流变材料表现为具有一定的弹性和粘性阻尼特性，与此同时又具有库仑阻尼特性，所以在整个振动周期变现为非线性；

屈服后粘性体：如果电流变材料的应变幅度进一步增加时，电流变材料处于非线性体时，这时可以将其视为粘性流体，这时电流变材料也具有一定的粘性。

约束阻尼部分的建模与仿真

电流变减振刀柄的理论建模：

本产品的减振刀柄装置可以简化视为X、Y相互垂直方向上的二自由度振动系统。考虑到电流变材料的动态特性具有非线性，因此在构建模型时较复杂，以微分方程表示的铣削动力学方程为：

（1）

式中：，——分别为X、Y方向上机床—刀具系统的质量；

，——分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼；

，分别为X、Y方向上机床—刀具系统的刚度；

，分别为X、Y方向上作用在刀柄上切削分力；

当电流变减振刀柄在数控加工中，铣削力会在进给X和Y两个方向对刀柄系统进行激励，分别引起相应的动态位移x和y。动态位移经由坐标变化作用在刀齿j的切削方向上，其中，如果主轴以角速度（rad/s），径向接触角随时间变化为=Ωt。

最后的切削厚度有两部分组成，一部分为刀具作为刚体运动静态切削厚度（），另一部分为振动引起的动态厚度变化。虽然切削厚度的静态部分也随着铣刀的旋转而发发生改变，但是由于它与再生作用无关，故静态部分在分析中被省略，则动态切削厚度课表示为：

（2）

根据上述可知由角速度Ω=2n决定，n为刀具的转速。

作用在刀齿上的切削力累计相加，可以得到作用在刀具上的总切削力为：

（3）

式中，为刀具的动态位移，，分别在X、Y方向刀具的激振力。

电流变液等效阻尼结构的周期耗能(单位N·mm)与外加电压的关系，经实验拟合可以得到关系式：

（4）

由于电流变液为非线性材料，故将电流变液等效阻尼结构的能量耗散近似的作为粘性阻尼与摩擦的共同作用的结果，一般认为有如下关系

（5）

其中为振动幅值，J、n均为刀柄的系统参数，n又被称为阻尼指数，n=1时表示纯摩擦阻尼，n=2时表示纯粘性阻尼。

当刀具振动频率一定时，B刀柄等效阻尼系统参数，则等效粘性阻尼系数为：

（6）

当刀具转速改变时，利用外加电场来改变刀表系统内电流变液的阻尼参数，从而来改变切削动力方程内，，，参数，进而保持，为刀具的动态位移动态数值变化，达到抑制颤振的目的。

根据电流变液体的本构关系模型可求得上下板之间的剪切阻尼力；

假设电流变液体是不能压缩的，当其进入稳定状态后，整个刀柄处于等温状态。电流变液体将会处于层流状态，在处于电极板的环形平面上。当电流变液体在无电场作用时为牛顿流体，其剪切应力正比于剪切应变。当环形电极板通电后，其电流变液体受到电场的作用，其力学特性变化显著，具有明显的抗剪切能力，这里用Bingham模型来进行论述,在上述条件下，以电极板圆柱为坐标轴的极坐标系，其剪切应力表示为:

（7）

其中：为电场强度为零时电流变液体的粘度；τ为电流变液体剪切速率；（E）为电介质电流变液屈服应力，是电流变液在电场作用下固化所引起的剪切应力。

由于电场强度E和电流变液屈服应力（E）具有如下关系：

（8）

其中：是与电流变液有关的常量系数。

设电流变液的流动速度为v，则刀柄腔体环形间隙内液体流量Q为：

（9）

式中：为电流变液体的表观粘度；为环形电极板直径；L为电极板径向长度；h为正电极板与刀柄腔体内壁之间的环形间隙值。

由流体力学Navier-Stokes 方程得：

(10)

其中 u 是沿轴向的流动速度，τ是剪切应力， p 是流体压力，ρ是流体密度。若不计惯性力，并假设流体在缝隙中的流动是均匀的平行流动，且压力 p 沿轴向 z 线性变化，这里可以将公式（4）简化为：

（11）

式中l为阻尼通道的长度，阻尼通道压力差；

电流变液的表观粘度可以表示为：

（12）

当本装置工作时，其通过环形间隙的电流变液流量为:

(13)

式中：为环形间隙面积。

由流体力学连续性原理：

（14）

并利用边界条件：,.

这里通过联立（8）（9）（11）（12）可得到整个系统的阻尼通道压力差;

(15)

因此可以得出电流变液阻尼层提供的阻尼力f:

(16)

实验验证及控制策略模拟：

首先模拟刀具及刀柄结构的原始振动状态，然后再分析刀具在升速过程中全程在线施加可控电场强度的刀柄振动状态，实验采用的控制强度为0—4kv/mm，最后根据本系统计算结果及数据，得出电压控制的上下限值，确定刀具在不同分段转速下相对应的电场强度；

根据刀具转速控制仿真结果，刀具在不同的转速区间对控制电流的要求也不相同。为此，在大量仿真与实验研究基础上，设定不同刀具转速区段对刀柄内电流变液施加不同的控制电场强度，在外加激频率为10Hz时，其转速、电场强度与振动位移的关系如下表1-1；

从上表可以得到当外加激振频率一定时，利用Y512-1/2F标准振动试验台对电流变减振刀柄对刀具的减振效果，在不同负载、不同的电场强度下进行动态特性实验；

实验结果表明：本发明在外界激振频率固定时，加速度与振幅随着负载增加衰减的越厉害，其减振效果越好；当刀具转速增加时，电场强度增大，电流变液刀柄减振效果变弱，由此可见本发明在小振幅、低转速时具有良好的可控减振效果；

电场作用下的电流变减振刀柄的阻尼损耗因子会随着电场强度的增加而增大，与此同时电场强度增加时，电流变材料的动态屈服应力增大，进而增加本发明刀柄的整体刚度。利用在不同电场强度下，对刀柄振动系统进行仿真，其仿真曲线如附图3所示。

刀柄颤振抑制系统控制策略：

在刀柄-刀具系统运行时，不能完全随着实际工况的变化对电场强度进行调节，由仿真曲线与实验结果可以得到，电流变减振刀柄在不同的转速区间，其对刀具振动抑制作用不同，即在刀具转速不断增加的过程中，不同转速区间对电流变减振刀柄电场强度要求的不同。因此随着刀具系统实际工作转速变化，在线改变在电流变减振刀柄上的电场强度。根据仿真模型和实验研究结果，将刀具升速过程划分为几个区间，则以刀具转速为控制参数的刀柄系统分段控制原理如附图4所示。

在机床切削过程中，该装置利用传感器、放大器测量次过程中产生的切削颤振，在通过模数转换器输入计算机，在计算机上进行切削颤振信号的实时显示、分析、监控和结果输出，并在计算机中使用预先编制的程序对相关的信号进行分析处理，并将处理后的信号从相应的输出设备中输出。电流变刀柄抑制振动是通过在颤振发生时，即通过监控软件对高压直流电源施加电压信号于刀柄内部的电极板，从而实现本发明装置对颤振在线实时抑制，如附图5所示。